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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO FACULTAD DE INGENIERIA DIVISIÓN DE INGENIERÍA EN CIENCIAS DE LA TIERRA “DETERMINACIÓN DEL ACEITE RESIDUAL EN YACIMIENTOS PETROLEROS” T E S I S QUE PARA OBTENER EL TITULO DE: I N G E N I E R O P E T R O L E R O P R E S E N T A CRUZ OROPEZA JOSÉ MIGUEL DIRECTOR DE TESIS: ING. MANUEL VILLAMAR VIGUERAS CD. UNIVERSITARIA, MEXICO, D.F. A 15 DE JUNIO DE 2009 UNAM – Dirección General de Bibliotecas Tesis Digitales Restricciones de uso DERECHOS RESERVADOS © PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el respectivo titular de los Derechos de Autor. DETERMINACIÓN DEL ACEITE RESIDUAL EN YACIMIENTOS PETROLEROS FACULTAD DE INGENIERÍA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA AGRADECIMIENTOS A Victoria Oropeza Reyes, mi madre, por toda el apoyo que me brindaste por todo el sacrificio que hiciste para que yo y mis hermanos tuviéramos la educación necesaria para ser mejores personas. A Miguel Cruz Hernández, mi padre, por todo el apoyo que me brindaste no solo económico sino moral y emocional mucho de lo que soy ahora te lo debo a ti papá y eso no se puede pagar con nada. A Dios, por nunca dejarme solo, por cumplirme siempre lo que he pedido, por darme la voluntad y las fuerzas para seguir y por siempre estar ahí cuando mas te he necesitado. A Evangelina, Juan Manuel y Victor Hugo, mis hermanitos, por el apoyo que me daban cuando parecía que la voluntad y la energía se me acababan por esos momentos de compañía que solo se pueden pagar con el corazón. A mi familia en general, por todos aquellos instantes que pasaron dándome un consejo, sus grandes palabras también las tengo presentes siempre. A mis amigos Eraim, Alejandro, Fernando, Alma, Laura, Sandra, Carlos, Arturo, Alonso, Leticia, Israel, por todo el apoyo y los consejos que solo personas como ustedes saben dar. A Manuel Villamar Vigueras, mi director de tesis, que sin su ayuda, consejo y tiempo; este trabajo no hubiera sido posible. A Silvia González Salinas, por acompañarme y apoyarme siempre en todo lo que hago, por darme la fuerza y el ejemplo de la dedicación y sobre todo por todo aquello que siempre me hace muy feliz. DETERMINACIÓN DEL ACEITE RESIDUAL EN YACIMIENTOS PETROLEROS FACULTAD DE INGENIERÍA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA ÍNDICE RESUMEN INTRODUCCIÓN I.- CONCEPTOS FUNDAMENTALES Página I.1 Porosidad I.1.1 Porosidad absoluta I.1.2 Porosidad efectiva I.1.3 Porosidad primaria I.1.4 Porosidad secundaria I.1.5 Factores que afectan la porosidad I.2 Saturación I.2.1 Saturación inicial I.2.2 Saturación residual I.2.3 Saturación crítica I.2.4 Saturación de agua crítica I.2.5 Saturación irreductible I.2.6 Saturación de agua irreductible I.2.7 Saturación Residual de aceite orS I.2.8 Saturaciones residuales de aceite y gas durante la perforación I.3 Permeabilidad I.3.1 Permeabilidad absoluta I.3.2 Permeabilidad efectiva I.3.3 Permeabilidad relativa I.4 Resistividad Eléctrica I.4.1 Factores que afectan la resistividad I.5 Energías y fuerzas del yacimiento I.5.1Tensión interfacial I.5.2 Fuerzas capilares I.5.3 Mojabilidad I.5.4 Capilaridad I.5.5 Presión capilar I.5.6 Presión Umbral I.5.7 Curva de drene I.5.8 Curva de Imbibición 1 1 1 2 2 2 3 4 4 4 4 5 5 5 6 7 8 8 9 9 10 11 11 12 12 25 25 29 29 30 DETERMINACIÓN DEL ACEITE RESIDUAL EN YACIMIENTOS PETROLEROS FACULTAD DE INGENIERÍA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA I.6 Registros Geofísicos de Pozos I.6.1 Aplicaciones II.- OBTENCIÓN DEL ACEITE RESIDUAL POR PROCEDIMIENTOS DE LABORATORIO Y DE CAMPO II.1 Saturación de fluidos II.2 Métodos para determinar la saturación de fluidos II.3 Diferentes métodos para la obtención de la saturación residual de aceite II.4Métodos de laboratorio II.4.1 Análisis de núcleos II.5 Métodos de campo II.5.1 Registros y formaciones limpias II.5.2 Obtención de la Saturación residual de aceite con ayuda de Registros Geofísicos II.5.3 Registros geofísicos de pozos comúnmente utilizados en la determinación de la Saturación residual de aceite ( orS ) II.5.4 Saturación residual de aceite II.5.5 Pruebas de Pozo II.5.6 Trazadores Químicos III.- OBTENCIÓN DEL ACEITE RESIDUAL POR MEDIO DE OTROS PROCEDIMIENTOS III.1 Diferentes métodos o herramientas para la determinación de la saturación residual de aceite ( orS ) III.2 Balance de Materia III.3 Uso del Método USBM para determinar el Aceite Residual III.4 Determinación del Aceite Residual mediante el Número Capilar III.5 Correlaciones que dependen de Registros Geofísicos III.5.1 Registro- Inyección- Registro ( LIL ) III.6 Determinación de la orS mediante el cálculo del volumen original de hidrocarburos a condiciones de yacimiento por métodos volumétricos o directos. III.6.1 Límites de los yacimientos 31 31 32 32 33 36 36 63 63 65 69 75 78 79 83 87 90 91 93 95 97 98 DETERMINACIÓN DEL ACEITE RESIDUAL EN YACIMIENTOS PETROLEROS FACULTAD DE INGENIERÍA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA III.6.2 Método de Cimas y Bases III.6.3 Método de Isopacas III.6.4 Método de Isohidrocarburos III.7 Correlación para América del norte III.8 Importancia y Aplicación del valor de Saturación de Aceite Residual orS IV.- CORRELACIONES DEL ACEITE RESIDUAL CON PARÁMETROS PETROFÍSICOS IV.1 Correlaciones IV.2 Correlaciones Experimentales IV.2.1 Correlaciones Generales IV.2.2 Mojabilidad IV.2.3 Por Tipo de Roca V.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES REFERENCIAS BIBLIOGRAFÍA 100 103 106 109 110 117 119 126 128 133 140 DETERMINACIÓN DEL ACEITE RESIDUAL EN YACIMIENTOS PETROLEROS FACULTAD DE INGENIERÍA UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA A RESUMEN: El presente trabajo consta de cinco capítulos, en los que se tratan los conceptos relacionados con la determinación y aplicación del valor de saturación residual de aceite ( orS ). Los temas desarrollados son de gran relevancia, ya que con esta información se adquieren las bases para poder realizar una caracterización y recaracterización del yacimiento o pozo petrolero y, poder así, proponer opciones para implementar o establecer un método de recuperación secundaria o mejorada de hidrocarburos. Los temas desarrollados a lo largo de este trabajo son de gran utilidad, ya que al tener más conocimientos sobre la saturación residual de aceite ( orS ), se conoce mejor el comportamiento del aceite en el yacimiento y las fuerzas retentivas del mismo, para finalmente planear mejor su extracción y de esta manera establecer el mejor régimen de explotación. Estos temas se desarrollan con textos amplios y se complementan con imágenes, tablas y esquemas que ayudan a un mejor entendimiento de los mismos, así también se establecen algunas observaciones y recomendaciones que deben tenerse en cuenta en la determinación del valor de orS , para tener la seguridad y confiabilidad en cualquiera de los métodos aquí presentados. Los capítulos en que se divide este trabajo son: Capítulo I, CONCEPTOS FUNDAMENTALES. Se definen cada una de las propiedades relacionadas con la saturación residual de aceite ( orS ) y en general con los conceptos que estudiantes de la carrera de Ingeniería Petrolera deben conocer y manejar para entender de manera adecuada este trabajo y para mejorar el entendimiento de la Ingeniería de Yacimientos. DETERMINACIÓN DEL ACEITE RESIDUAL EN YACIMIENTOS PETROLEROS FACULTAD DE INGENIERÍA UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA B Capítulo II, OBTENCIÓN DEL ACEITE RESIDUAL POR PROCEDIMIENTOS DE LABORATORIO Y DE CAMPO. Se enfoca en la descripción de métodos que se llevan a cabo en laboratorios especializados, como el método de la centrífuga, de la membrana semipermeable, etc. y algunos de campo, como los basados en registros geofísicos de pozos, trazadores químicos, etc. con los cuales podemos determinar de manera directa el valor de saturación residual de aceite ( orS ). Capítulo III, OBTENCIÓN DEL ACEITE RESIDUAL POR MEDIO DE OTROS PROCEDIMIENTOS. Se describen otros métodos para la determinación del valor de saturación residual de aceite ( orS ), los cuales se basan en ecuaciones matemáticas o correlaciones que han sido establecidas por diferentes autores. Capítulo IV, CORRELACIONES DEL ACEITE RESIDUAL CON PARÁMETROS PETROFÍSICOS. Aquí se presenta el comportamiento que tiene el valor de saturación residual de aceite ( orS ) con respecto a otros parámetros petrofísicos, como la porosidad y la permeabilidad básicamente, aunque también con respecto a otros como la mojabilidad, el tipo de roca, etc. Se presentan gráficos, los cuales pueden ayudar a determinar la saturación residual de aceite ( orS ) sin necesidad de llevar a cabo pruebas de laboratorio o de campo y que nos permitan obtener un valor con mayor rapidez en caso de ser necesario y que además tenga un valor alto de confiabilidad. Capítulo V, CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. Muestra las observaciones y resultados analizados en cada capítulo, así como algunas recomendaciones que pueden llevarse a cabo antes y después de realizar alguna de las pruebas o técnicas mencionadas en este trabajo, además de establecer sus múltiples aplicaciones en la Ingeniería Petrolera, lo cual será de gran apoyo durante la evolución y administración de yacimientos. INTRODUCCIÓN FACULTAD DE INGENIERÍA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA I INTRODUCCIÓN La amplia demanda de crudo y la notable disminución de las reservas, han generado un gran interés en la búsqueda y explotación de nuevos yacimientos. Sin embargo, su recuperación se hace cada día más compleja debido a las condiciones que presentan los fluidos o a la localización de estos. Diversos métodos de recuperación secundaria o mejorada han sido desarrollados con base en los resultados que arrojan experimentos de laboratorio principalmente, estos experimentos se enfocan en la determinación de una parámetro principal, el cual es el valor de saturación residual de aceite ( orS ) entre los que se destacan los procesos de inyección de fluidos (agua o gas), térmicos de vapor, combustión“in-situ” y el calentamiento eléctrico. Para implementar alguno de estos métodos es necesario realizar las siguientes validaciones: 1) Estudio experimental de laboratorio 2) Simulación numérica 3) Pruebas piloto en campo El estudio experimental incluye el diseño y ejecución de pruebas en un simulador físico escalado, el cual tiene la ventaja de capturar fenómenos físicos que puedan estar ocurriendo en un proceso en particular. De esta manera el conocimiento del valor de saturación residual de aceite ( orS ), se convierte en fundamental en procesos de recuperación secundaria y/o mejorada. Dentro de las intervenciones más frecuentes que permiten optimizar la explotación de los pozos o eliminar algunas anomalías presentes está la estimulación de pozos, cuyo objetivo es la de reestablecer o incrementar la capacidad productiva de un pozo. INTRODUCCIÓN FACULTAD DE INGENIERÍA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA II Debido a que estas operaciones implican costos muy elevados, tanto por el costo mismo de la operación como por el inherente a la producción esperada, es necesario simular las condiciones de cada pozo (de presión y temperatura) en laboratorio antes de realizar cualquier operación y así asegurar el éxito de ella. En este trabajo se incluyen sólo algunos métodos para la obtención del valor de saturación residual de aceite ( orS ). Tales pruebas o métodos darán una idea global del porqué de cada una de ellas, en cuanto a su relación entre la teoría y operación en el campo, con el fin de que cada método aquí presentado tenga su fundamento en la experimentación y de ahí se pueda evaluar de manera concreta la teoría. Debido a que existen pocas fuentes bibliográficas en español actualizadas acerca de estos temas, este trabajo servirá, no solo para apoyar a estudiantes de la asignatura correspondiente, sino como una fuente de consulta para otras asignaturas afines y para estudiantes de postgrado. Este trabajo consistió en la recopilación de información de distintas fuentes bibliográficas para actualizar los conceptos fundamentales de Ingeniería de Yacimientos y disponer de un material en español que sirva de forma didáctica y como una herramienta de estudio o consulta para los estudiantes de esta asignatura y así mejorar el proceso de enseñanza aprendizaje. También puede ser de utilidad para agrupar a estudiantes de carreras relacionadas, para estudiantes de postgrado que quieran revisar los conceptos fundamentales de Ingeniería de Yacimientos y para los profesionales que se encuentran laborando en la exploración y explotación de yacimientos de fluidos. INTRODUCCIÓN FACULTAD DE INGENIERÍA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA III Los conceptos que se manejan en este trabajo van a permitir a los estudiantes de ingeniería petrolera poder tener una base para estudiar los conceptos relacionados con la Ingeniería de Yacimientos, y adquirir cocimientos previos para las asignaturas relacionadas con la recuperación de hidrocarburos. I. CONCEPTOS FUNDAMENTALES FACULTAD DE INGENIERIA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA 1 I. CONCEPTOS FUNDAMENTALES Uno de los objetivos principales de la Industria Petrolera mundial es la búsqueda de yacimientos productores de hidrocarburos y por la importancia que revisten ciertos parámetros petrofísicos como son la porosidad, saturación, permeabilidad y resistividad eléctrica; que se utilizan como base para la interpretación cuantitativa de los registros geofísicos, expondré a continuación los conceptos y medidas de dichos parámetros. I.1 Porosidad (φ ). La porosidad de una roca representa una medida del espacio disponible para el almacenamiento de fluidos y es la relación del volumen de poros y huecos entre el volumen bruto de la roca, indicándose en por ciento. Se calcula con la expresión: r p V V =φ (1) Donde: :pV Volumen poroso :rV Volumen total de roca I.1.1 Porosidad absoluta. Considera el volumen poroso tanto de los poros aislados como los comunicados entre el volumen bruto de la roca. I.1.2 Porosidad efectiva. Es la relación de volumen de huecos comunicados entre el volumen bruto de la roca. En caso de una roca basáltica se puede tener una porosidad absoluta muy alta, pero muy reducida o nula porosidad efectiva. I. CONCEPTOS FUNDAMENTALES FACULTAD DE INGENIERIA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA 2 De acuerdo con el modo en que se originó, la porosidad puede clasificarse en: I.1.3 Original o primaria. Se forma en el momento de la depositación de los materiales que integran la roca, se caracteriza como intergranular en las arenas y areniscas y como intercristalina u oolítica en algunas calizas. I.1.4 Secundaria. Se debe a procesos geológicos y/o químicos que experimentan el mismo medio poroso después de la depositación, como disolución de material calcáreo por corrientes submarinas, fracturamiento, etc. La porosidad varía normalmente en los yacimientos entre el 5 y el 30%. Puede obtenerse directamente de núcleos en el laboratorio o indirectamente a partir de los registros geofísicos de pozos. I.1.5 Factores que afectan la porosidad a) Empacamiento b) Selección c) Redondez d) Compactación e) Tipo de cemento I.1.5.1 Empaquetamiento. Se refiere a la forma en que están acomodados los granos, por lo tanto podemos tener, granos acomodados en forma cúbica y en forma hexagonal. - cúbica (granos unos sobre otros) se obtiene mayor porosidad máximo 47% - hexagonal (cuatro granos sostienen uno) se obtiene menor porosidad máximo 25.9 % I. CONCEPTOS FUNDAMENTALES FACULTAD DE INGENIERIA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA 3 I.1.5.2 Selección. Se dice que una roca está bien seleccionada cuando los granos tienden a ser del mismo tamaño, por lo tanto una roca bien seleccionada nos da una mayor porosidad y viceversa. I.1.5.3 Redondez. Es el grado o medida que tiene un grano de parecerse a una esfera. Si los granos son más redondos tenemos mayor porosidad. I.1.5.4 Compactación. Aumenta con la profundidad, a mayor profundidad mayor compactación y menor porosidad. Ejemplo: calizas y carbonatos. I.1.5.5 Tipo de cemento. A medida que la roca está más cementada, la porosidad disminuye. El cemento puede ser carbonato de calcio o sílice. I.2 Saturación(S) Fracción o porcentaje del volumen de poro ocupado por un fluido específico. La saturación de un fluido en un medio poroso es una medida del volumen de ese fluido en el espacio poroso de una roca, a las condiciones de presión y temperatura a que se encuentra en el yacimiento. p f f V V S = (2) Donde: fS : Saturación de fluido :fV Volumen del fluido :pV Volumen poroso El volumen de fluido en un yacimiento puede representar: aceite, agua o gas, como lo muestra la figura 1.1. I. CONCEPTOS FUNDAMENTALES FACULTAD DE INGENIERIA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA 4 FIGURA 1.1 ROCA SATURADA CON FLUIDOS Dependiendo las condiciones a las que se encuentre existen diferentes formas de clasificar las saturaciones, dentro de las más comunes tenemos: I.2.1 Saturación inicial. Será aquella a la cual es descubierto el yacimiento. En el caso del agua, también se le denomina saturación de agua congénita y es el resultado de los medios acuosos donde se forman los sedimentos y de la cantidad de hidrocarburos presentes, dependiendo su valor, el agua congénita podrá tener movimiento o no. I.2.2 Saturación residual. Es aquella que se tiene después de un periodo de explotación en una zona determinada. Dependiendo del movimientode los fluidos, los procesos a los cuales se esta sometiendo el yacimiento y el tiempo, ésta puede ser igual, menor o, en casos excepcionales mayor que la saturación inicial. I.2.3 Saturación crítica. Es aquella a la que el fluido contenido en los poros comienza a moverse. Es aquel valor de saturación de un fluido especifico (fase liquida o gas) en el cual éste empezará a fluir primero, a medida que su saturación aumenta. La habilidad para fluir está relacionada a la continuidad de la fase. Una fase discontinua no fluirá en condiciones de producción normal. I.2.4 Saturación de agua crítica. La mayor saturación de agua que una roca puede mantener mientras produce hidrocarburos antes de que empiece a fluir el agua. I. CONCEPTOS FUNDAMENTALES FACULTAD DE INGENIERIA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA 5 I.2.5 Saturación irreductible. Saturación mínima de un fluido mojante cuando es desplazado de un medio poroso por otro fluido inmiscible. I.2.6 Saturación de agua irreductible. Fracción del volumen de poros ocupado por agua en un yacimiento con máxima saturación de hidrocarburos. En rocas mojadas por agua, se presenta como una capa de agua absorbida que cubre las superficies de los granos. Difiere de la saturación residual de agua medida por análisis de núcleos porque la invasión del filtrado y la expansión del gas son eliminadas cuando el núcleo es sacado de su estado natural. I.2.7 Saturación residual de aceite orS . Es aquella saturación o volumen de aceite que permanece en el yacimiento después de que se ha dejado actuar a alguno de los mecanismos de recuperación. Con frecuencia se asocia este concepto con una saturación irreductible de aceite, que representa la saturación de aceite a la cual el aceite remanente se vuelve inmóvil o completamente entrampado bajo ciertos aspectos prácticos operacionales. Los valores típicos de orS fluctúan entre un 25 y un 50% del volumen de poros, los cuales están en función de un mecanismo microscópico de entrampamiento que está controlado por la interacción de las fuerzas viscosas y capilares, aunque en ciertos casos también intervienen las de inercia. Se ha observado que en diversas zonas existen orS aún mayores, y que en algunos casos permanecen casi iguales a las iniciales, lo que generalmente se debe a los procesos macroscópicos que están asociados al flujo no-Darciano de barrido en el yacimiento y a la interacción de la velocidad de flujo con el gradiente de presión, así como a la aceleración local en ciertos canales de flujo preferencial que contribuyen al entrampamiento del aceite. A partir de las pruebas de laboratorio y de campo se ha podido apreciar que a nivel microscópico la orS depende principalmente de la mojabilidad, distribución del tamaño del poro, heterogeneidad microscópica de la roca, así como de las propiedades de los fluidos. A nivel macroscópico, la orS depende I. CONCEPTOS FUNDAMENTALES FACULTAD DE INGENIERIA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA 6 en gran medida del arreglo de los pozos, ritmos de explotación, intervalos disparados y de las heterogeneidades de la roca. I.2.8 Saturaciones residuales de aceite y gas durante la perforación Al considerar las saturaciones residuales de gas y aceite en la zona invadida, se deben distinguir dos zonas: la zona lavada y la zona invadida propiamente dicha. La zona lavada es la que está inmediatamente alrededor del pozo y no se extiende mas de 3 a 6 pulgadas. La zona invadida propiamente dicha es la que sigue a la zona lavada. En los cálculos e interpretaciones de perfiles eléctricos, generalmente se supone que la saturación residual de gas y aceite en la zona invadida varía gradualmente entre los valores de las zonas lavada y virgen. Por falta de buena información, los valores de gas y aceite residuales se asumen con base en las características físicas de la roca. Con tal fin, las rocas se dividen en dos clases: de alta porosidad y de baja porosidad. En formaciones de baja porosidad (menos de 15%), con una permeabilidad inferior a 5 milidarcys, se supone que no existe invasión. Como se muestra en la figura 1.2. Si la permeabilidad es de 5 a 100 milidarcys, el gas y el aceite residuales serán funciones de la pérdida de filtrado. Si la pérdida de filtrado en el encabezado del perfil es menor de 10 cm 3 en 30 minutos, se puede esperar una invasión moderada con una saturación residual del 30% para aceites pesados y 20% para aceites ligeros. Si la pérdida de filtrado es mayor a 10 cm³ en 30 minutos, puede esperarse una invasión profunda con una saturación residual del 20% para aceites pesados y del 10% para aceites ligeros. En formaciones de alta porosidad (más del 15%) con permeabilidades inferiores a 100 milidarcys, se espera una invasión moderada con una saturación residual de aceite del 20%. Si la permeabilidad es mayor de 100 milidarcys, se obtendrá una invasión poco profunda con una saturación de aceite residual del 30% aproximadamente. I. CONCEPTOS FUNDAMENTALES FACULTAD DE INGENIERIA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA 7 FIGURA 1.2 ZONAS ALEDAÑAS AL POZO DE ACUERDO AL FILTRADO DE LODO I.3 Permeabilidad (K) La permeabilidad es la medición de la facilidad con que los líquidos fluyen a través de una formación. En una determinada muestra de roca y con cualquier líquido homogéneo, la permeabilidad será una constante siempre y cuando el líquido no interactué con la roca en sí. Los estudios experimentales hechos por H. Darcy en 1856 sobre el flujo de agua en arenas no consolidadas, lo llevaron a la formulación de la ley que lleva su nombre, la cual ha sido extendida para describir, con algunas limitaciones, al flujo de otros fluidos en rocas consolidadas. La ecuación de Darcy establece la proporción directa que existe entre la velocidad de un fluido homogéneo en un medio poroso y el gradiente de presión, y la proporción inversa con respecto a la viscosidad de fluido, es decir: ds dpKV * μ = (3) I. CONCEPTOS FUNDAMENTALES FACULTAD DE INGENIERIA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA 8 Donde: :V Velocidad aparente, en s cm :μ Viscosidad de fluido, en centipoise :K Permeabilidad de la roca, en Darcy : ds dp Gradiente de presión, en cm atm Una roca debe tener poros interconectados o fracturas capilares para ser permeable. Por lo general una permeabilidad mayor se acompaña de una porosidad mayor, sin embargo esta no es una regla absoluta, porque se pueden presentar los siguientes casos: • Las lutitas y ciertas clases de arenas tienen altas porosidades, pero sus granos son tan pequeños que los caminos que permiten el paso de líquidos son escasos y tortuosos, y por lo tanto su permeabilidad puede ser baja. • Otras formaciones, como la caliza, pueden presentar pequeñas fracturas o fisuras de una gran extensión. La porosidad de esta formación será baja, pero la permeabilidad de una fractura puede ser muy grande. En consecuencia, las calizas fracturadas pueden tener bajas porosidades, pero permeabilidades muy altas. La permeabilidad puede ser: I.3.1 Permeabilidad absoluta ( K ). Es la propiedad de la roca que permite el paso de un líquido, cuando se encuentra saturada al 100% de este líquido. I.3.2 Permeabilidad efectiva ( wgo KKK ,, ). La permeabilidad efectiva a un fluido es la permeabilidad del medio a ese fluido cuando su saturación es menor del 100%. I. CONCEPTOS FUNDAMENTALES FACULTAD DE INGENIERIA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA 9 I.3.3 Permeabilidad relativa ( rwrgro KKK ,, ). La permeabilidad relativa a un fluido es la relación de la permeabilidad efectiva a ese fluido a la permeabilidad absoluta. Como se muestra en la figura 1.3. K K K frf = (4) CURVASDE PERMEABILIDAD RELATIVA 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 20 40 60 80 100 Saturación de agua[%] K re la tiv a ACEITE AGUA FIGURA 1.3 CURVAS DE PERMEABILIDAD RELATIVA I.4 Resistividad Eléctrica La resistividad eléctrica de una sustancia es la capacidad de impedir o resistir el paso de corriente eléctrica a través de si misma. La conductividad eléctrica es lo contrario a éste fenómeno. La unidad utilizada en los registros es el ohm-m 2 /m, generalmente expresada en ohm-m para la resistividad y en milíohms/m para la conductividad. La mayoría de las formaciones que se registran para buscar saturaciones potenciales de petróleo, aceite y/o gas se componen de rocas, que al estar secas, no conducirán una corriente eléctrica, es decir, la matriz de una roca tiene una conductividad nula o resistividad infinitamente alta. Una corriente eléctrica fluirá solo a través del agua intersticial que satura la estructura porosa de la formación, solamente si el agua intersticial contiene sales disueltas y mientras mayor sea la concentración salina, menor será la resistividad del agua intersticial y, por lo tanto, de la formación. I. CONCEPTOS FUNDAMENTALES FACULTAD DE INGENIERIA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA 10 Las resistividades en las formaciones arenosas caen en el rango de 0.2 a 1,000 ohm/m. En formaciones calcáreas, las resistividades pueden ser más altas, del orden de 100 a 40,000 ohm/m. Por otro lado, mientras la porosidad de la formación sea más grande y como consecuencia presente mayor cantidad de agua de formación, la resistividad será menor. Las mediciones de resistividad, junto con las de resistividades del agua y la porosidad, se utilizan para obtener los valores de saturación de agua. I.4.1 Factores que afectan la resistividad I.4.1.1 La cantidad de sal en el agua. Como regla general la cantidad de sal en el agua aumenta con la profundidad, por lo tanto a medida que aumenta la cantidad de sal en el agua la resistividad disminuye, esto debido a que la cantidad de iones aumenta. I.4.1.2 Temperatura: A medida que aumenta la temperatura, la resistividad de la formación disminuye, debido a que los iones que transportan electricidad se mueven con mayor rapidez. I.4.1.3 Saturación de agua: A medida que se tiene mayor saturación de agua, la resistividad será menor, por ejemplo: una formación que contiene hidrocarburos tendrá una saturación de agua baja por lo que nos da una alta resistividad. I.4.1.4 Porosidad: Si la porosidad es alta la resistividad será baja, debido a que en estas condiciones se tendrá mayor cantidad de agua para un mismo porcentaje de saturación de agua. I. CONCEPTOS FUNDAMENTALES FACULTAD DE INGENIERIA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA 11 I.4.1.5 Litología: si la formación es arenisca, la resistividad será menor que si la formación fuera carbonato, debido a que en los carbonatos el recorrido que tiene que seguir la corriente es mayor. I.5 Energías y fuerzas del yacimiento Las fuerzas naturales que retienen los hidrocarburos en el yacimiento, pero que también los desplazan son: inercia, atracción gravitacional, atracción magnética, atracción eléctrica, presión, tensión superficial, tensión interfacial y presión capilar. I.5.1 Tensión interfacial (σ ). Es el resultado de los efectos moleculares por los cuales se forma una interfase que separa dos líquidos. Si 0=σ se dice que los líquidos son miscibles entre sí, como el agua y el alcohol. Un ejemplo clásico de fluidos inmiscibles se tiene con el agua y el aceite. En el caso de una interfase gas-líquido, se llama tensión superficial. Se define como la energía requerida para incrementar el área de la interfase en una unidad. Generalmente se emplea una campana tensiométrica para determinar σ , la cual se coloca en la interfase y luego se le va aplicando una fuerza cada vez mayor para levantarla, con lo cual se incrementa el área interfacial hasta un punto de ruptura. La fuerza aplicada hasta ese punto, dividida por la circunferencia de la campana (corregida previamente por un factor geométrico) es precisamente σ . Se debe tratar de evaluar la σ a las condiciones de yacimiento, ya que de lo contrario se incurrirá en un importante error. Los valores típicos de σ fluctúan normalmente entre 10 y 30 cm dinas a condiciones de yacimiento, cuando se determina la σ entre un liquido y su vapor (o aire), se le denomina tensión superficial. Se puede decir que la σ representa una medida de miscibilidad, es decir, cuando se tienen bajos valores de σ , las dos fases se aproximan a la miscibilidad. Por ejemplo, conforme se alcanza el punto crítico, las propiedades de la fase liquida se parecen más a las de la fase vapor y consecuentemente la σ tiende a cero. Cuando se producen reducciones substanciales en la σ , se I. CONCEPTOS FUNDAMENTALES FACULTAD DE INGENIERIA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA 12 presentaran pequeños cambios en la permeabilidades relativas. Cuando se reduce la σ de 35.0 a 5.0 cm dinas se incrementarán las permeabilidades relativas tanto del agua como del aceite de 20 – 30%. En algunos procesos de Recuperación Mejorada se emplean bajas y muy bajas σ para desplazar el aceite, conforme la σ disminuye, se requiere una energía menor para disminuir la orS . Sin embargo, los efectos interfaciales también están en función de la mojabilidad y de la geometría de poro, cuyo principal efecto será el de incrementar la permeabilidad de cada fase. Teóricamente las permeabilidades relativas de dos fases están en función de sus saturaciones correspondientes cuando se encuentran cerca de la región de miscibilidad. Bajo estas condiciones, se supone que ambas fases estarán fluyendo conjuntamente con las porciones de fluidos entrampados ó aislados que se encuentran en las trampas. Existe muy poca información acerca del efecto de la σ sobre los procesos de recuperación, en especial sobre las permeabilidades relativas. No obstante, se ha confirmado que conforme se reduce la σ , la relación de permeabilidades de la fase desplazada a la fase desplazante se incrementa, con una consecuente mayor producción de aceite. I.5.2 Fuerzas capilares. Son el resultado de los efectos combinados de las tensiones interfaciales y superficiales, de tamaño y forma de los poros y del valor relativo de la fuerzas de cohesión de los líquidos, es decir de las propiedades de mojabilidad del sistema roca-fluidos. I.5.3 Mojabilidad. Es la tendencia de un fluido a adherirse o esparcirse sobre una superficie sólida en presencia de otros fluidos inmiscibles. La cual se debe a la interacción entre la superficie de la roca del yacimiento con los fluidos. Esta propiedad constituye el principal factor que controla la localización, distribución y flujo de fluidos en el yacimiento, como se observa en la figura 1.4. En un I. CONCEPTOS FUNDAMENTALES FACULTAD DE INGENIERIA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA 13 núcleo, la mojabilidad afecta casi todos los análisis que se realizan en el, incluyendo presión capilar, permeabilidad relativa, saturación residual de aceite, saturación irreductible de agua, propiedades eléctricas, así como aquellos desplazamientos con agua u otros fluidos para procesos de recuperación mejorada. Por lo que es necesario que estas pruebas se lleven a cabo en núcleos presurizados o bien con condiciones de mojabilidad restablecidas a su estado original, y se realizan a condiciones de presión y temperatura del yacimiento. Se emplean ciertos aditivos en los fluidos de perforación o terminación del pozo, que pueden alterar la mojabilidad del núcleo mediante la adsorción de componentes polares y/o la depositación material orgánico que inicialmente se encontraba en el aceite. En general, el grado de alteraciónestá determinado por la interacción de los componentes del aceite, la superficie mineral y la química de la salmuera. Los cambios en la mojabilidad de los núcleos afectan a las siguientes propiedades del sistema roca – fluidos: Características eléctricas Presión capilar Permeabilidad relativa Saturación de agua irreductible Saturación de aceite residual I. CONCEPTOS FUNDAMENTALES FACULTAD DE INGENIERIA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA 14 FIGURA 1.4 DISTRIBUCIÓN DE LOS FLUIDOS DE ACUERDO A LA MOJABILIDAD I.5.3.1 Tipos de Mojabilidad. Hace algunos años se consideraba que casi todos los yacimientos petroleros estaban mojados por agua, con base en que casi todas las rocas sedimentarias limpias son fuertemente mojadas por agua y a que los yacimientos formados por areniscas fueron depositados en medios acuosos, dentro de los cuales el aceite migró posteriormente, por lo que se supuso que el agua evitaría que el aceite tocara las superficies rocosas. Algunos investigadores, como Nutting en 1934, observó que algunos campos presentaban características de gran preferencia a ser mojadas por aceite, a tal grado que por ejemplo, la arenisca Tensleep de Wyoming tenía una capa de hidrocarburos pesados de 0.7 mμ de espesor, la cual no se pudo remover con solventes o gasolina, únicamente fue posible removerla quemando dichos hidrocarburos. Treiber y Cols determinaron la mojabilidad de 55 yacimientos empleando la técnica de medición de ángulo de contacto. De los yacimientos carbonatados analizados, el 8% resultó mojado por agua, el 8% presentó mojabilidad intermedia, y el 84% presentó mojabilidad al aceite (campos localizados al oeste de Texas). I. CONCEPTOS FUNDAMENTALES FACULTAD DE INGENIERIA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA 15 Finalmente Chillingar y Yen determinaron la mojabilidad a 161 muestras midiéndoles el ángulo de contacto, entre los cuales incluía a 90 núcleos de calizas y dolomías Asmari del Medio Oriente, 15 dolomías del oeste de Texas, 3 calizas Madison de Wyoming, 4 núcleos carbonatados de campos de México, 4 carbonatados del campo Rengiu de China, 16 núcleos carbonatados de Alberta, 19 núcleos de pizarra Chalk del Mar del Norte, 5 muestras de la India y 5 muestras de campos Soviéticos de la región Volga-Urales. Los resultados se muestran a continuación, los cuales muestran que un 80% de los campos mencionados son mojados por aceite. MOJABILIDAD ANGULO DE CONTACTO % DE YACIMIENTOS Al Agua 0° - 80° 8.0 Intermedia 80° - 100° 12.0 Al aceite 100° - 160° 65.0 Fuertemente al Aceite 160° - 180° 15.0 Salathiel propuso el término de mojabilidad mixta para el caso especial de cuando las superficies mojables al aceite forman un medio continuo a través de los poros grandes, mientras que los poros pequeños permanecen mojables al agua sin contenido de aceite. La mojabilidad fraccional se debe a que algunos componentes del aceite son absorbidos fuertemente en ciertas áreas de la roca, por lo que una porción resulta preferentemente mojado por aceite, en tanto otra lo es por agua. En general, se puede decir que la mayoría de las rocas carbonatadas son preferentemente mojadas por aceite, mientras que algunos de los yacimientos de arenisca son preferentemente mojados por agua, debido principalmente a que los silicatos normalmente tienen cargas negativas con superficies ligeramente ácidas en agua neutral, y los carbonatos tienen cargas positivas con superficies ligeramente básicas. I. CONCEPTOS FUNDAMENTALES FACULTAD DE INGENIERIA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA 16 Por lo anteriormente discutido, es necesario considerar el pH, la salinidad, la acidez del crudo y la mojabilidad original del sistema para planear un desplazamiento con una solución alcalina. I.5.3.2 Determinación de la Mojabilidad. Se han propuesto varios métodos para la determinación de la mojabilidad, dentro de los cuales se incluyen algunas técnicas cuantitativas, como la medición del ángulo de contacto, el método USBM y el de Amott (imbibición y desplazamiento forzado), así como algunos métodos cualitativos que incluyen el análisis de los ritmos de imbibición, el análisis microscópico de núcleos, el de flotación, el de resbalamiento en cristal, el de análisis de curvas de permeabilidades relativas, las relaciones de permeabilidad / saturación, las curvas de presión capilar, el método capilarimétrico, el de presión capilar de desplazamiento, el de los registros de resistividad, el de magnetismo nuclear de resonancia y el de adsorción. La histéresis es uno de los problemas principales que se tiene con la medición del ángulo de contacto, ya que como se ha visto experimentalmente, una gota líquida en una superficie puede presentar diferentes ángulos de contacto estables, por lo que es conveniente calcular ya sea el ángulo de avance o el de retroceso, pues estos se consideran reproducibles, aún cuando en algunas ocasiones la diferencia pudiese ser mayor de los 60°, lo cual se puede deber a la rugosidad superficial, a la heterogeneidad de la superficie o bien a la inmovilidad superficial a escala macromolecular. El método Amott combina la imbibición y el desplazamiento forzado para medir la mojabilidad promedio del núcleo. Se basa en el hecho de que el fluido mojante se imbibe espontáneamente en el núcleo, desplazando al no mojante. La relación de la imbibición espontánea a la forzada se emplea para reducir la influencia de algunos otros factores, como la permeabilidad relativa, la viscosidad y la saturación inicial. I. CONCEPTOS FUNDAMENTALES FACULTAD DE INGENIERIA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA 17 El principal problema de esta técnica y de sus modificaciones, consiste en su insensibilidad cerca del punto de mojabilidad intermedia, ya que este método mide la facilidad con la cual el fluido mojante desplaza espontáneamente al no mojante. Sin embargo ninguno de los fluidos imbibe o desplaza al otro, cuando se tiene un ángulo de contacto entre 60 y 120° ( de 1 a 2.1 rad.). Donaldson y Cols desarrollaron el método USBM para medir la mojabilidad promedio del núcleo de una forma relativamente rápida, pues se requieren unos cuantos días para 4 u 8 núcleos. Su principal ventaja sobre el método de Amott consiste en que esta técnica si es sensible a la mojabilidad neutral. No obstante, la mojabilidad solo se puede determinar en pequeños núcleos, ya que éstos se colocan en una centrífuga. Este método compara el trabajo necesario para que un fluido desplace a otro, ya que el cambio favorable de energía libre hace que el trabajo desarrollado por el fluido mojante para desplazar al no mojante del núcleo sea menor, el cual es proporcional al área bajo la curva de presión capilar correspondiente. Cuando se tiene un núcleo mojable al agua, el área bajo la curva de presión capilar cuando el agua desplaza al aceite ( 1A ) es menor al área cuando el aceite desplaza al agua ( 2A ), cuya relación logarítmica ( 2 1 A A ) es precisamente el índice de mojabilidad (W ) para este método. La técnica de imbibición es el más popular de los métodos cualitativos para estimar la mojabilidad, debido a su rapidez sin requerir aparatos complicados, aunque solo nos proporciona una idea somera de la mojabilidad. Originalmente esta era determinada a temperatura y presión atmosférica. Recientemente Kyte y Cols, realizaron algunas modificaciones al equipo original a fin de determinar la mojabilidad a condiciones del yacimiento. El principal problema de este método, consiste en que los ritmos de imbibición también dependen de las permeabilidades relativas, viscosidad, tensión interfacial, estructura porosa, así como de la saturación inicial. I. CONCEPTOS FUNDAMENTALES FACULTAD DE INGENIERIA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZOROPEZA 18 I.5.3.3 Efectos de la Mojabilidad. Se ha observado que esta propiedad tiene gran influencia sobre las siguientes propiedades y aspectos: 1) Eléctricas 2) Presión capilar 3) Permeabilidades relativas 4) Recuperación de aceite 5) Inyección de agua I.5.3.3.1 Sobre las propiedades eléctricas. Para el cálculo de la saturación de agua congénita a partir de los registros de resistividad, se emplea el exponente de saturación de Archie, cuyo valor para una arenisca limpia, consolidada y preferentemente mojada por agua, es de 2, mientras que en núcleos preservados o no mojados por agua es mucho mayor. Cuando se tiene una formación uniformemente mojada por aceite y con baja saturación de agua, el valor del exponente de saturación n , alcanza valores mayores de 10. Estos valores se deben a que la porción de salmuera se encuentra entrampada o está aislada, lo que la hace incapaz de contribuir a la conductividad eléctrica. Por esta razón, cuando se emplea un núcleo con mojabilidad al agua, debido a los procedimientos de limpieza empleados para medir el exponente n , en un yacimiento realmente mojado por aceite, la saturación de agua será subvaluada a partir de los registros de resistividad. I.5.3.3.2 Sobre la presión capilar. No existe una relación inmediata entre la presión capilar cP determinada a dos mojabilidades diferentes. Cuando se tiene un medio poroso con mojabilidad uniforme, el efecto de la geometría de poro en un medio poroso con superficies extremadamente rugosas hará que la curva de presión capilar sea insensible en sistemas con pequeños ángulos de contacto (menores a los 50°, 0.87 rad.) para la curva de presión capilar de drene, y mayor a los 20° (0.35 rad.) para la de imbibición. I. CONCEPTOS FUNDAMENTALES FACULTAD DE INGENIERIA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA 19 Cuando el medio poroso presenta condiciones de mojabilidad de tipo mixto o fraccional, la cantidad y la distribución de las superficies mojadas por aceite y agua determinan la forma de la curva de presión capilar, la saturación residual, así como el comportamiento de imbibición, ya que ésta también depende de la interacción de la mojabilidad con la estructura porosa, saturación inicial e historia de saturaciones. Debido a esto, existe un gran rango de variación en las mediciones del ángulo de contacto, en donde ni el aceite ni el agua se imbiben libremente en un núcleo uniformemente mojado. En cambio, en una formación con mojabilidad fraccional o mixta, tanto el aceite como el agua se pueden imbibir libremente. Generalmente, no es posible simular un medio poroso a partir de un juego de tubos capilares y solo se podrán emplear sistemas aire/salmuera o aire/mercurio cuando el núcleo sea mojado por agua en la determinación de la curva de presión capilar, dichas muestras deben conservar sus condiciones originales de mojabilidad, ya que de lo contrario se obtendrían diferentes valores de cP , así como una orS diferente de acuerdo al grado de alteración de mojabilidad. Finalmente, si se determina el ritmo de recuperación de aceite por imbibición, con un núcleo que ha sido lavado sin restituir sus condiciones originales de mojabilidad, esta será sobreestimada, sobre todo si el yacimiento es fracturado. Debido a que las fuerzas capilares son de los factores predominantes que gobiernan el flujo y la distribución de los fluidos dentro del yacimiento, es de esperar que la mojabilidad, que forma parte del número capilar, desempeñe un papel importante en la determinación de las propiedades del flujo multifásico, considerando que una pequeña variación en la mojabilidad alteraría las permeabilidades relativas, la dispersión, así como las saturaciones de fluidos fluyentes y entrampados. La dispersión de cada fase se incrementa conforme disminuye su saturación. En general, el flujo de la fase no mojante es mucho más disperso que el de la fase mojante, lo cual favorece el flujo de la fase mojante y reduce el de la no mojante. I. CONCEPTOS FUNDAMENTALES FACULTAD DE INGENIERIA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA 20 I.5.3.3.3 Sobre las permeabilidades relativas. La mojabilidad afecta de manera importante las permeabilidades relativas, debido a que es uno de los principales factores que controlan la localización, el flujo y la distribución de los fluidos en el medio poroso. En medios porosos mojados uniformemente o fraccionalmente, la permeabilidad relativa al agua se incrementa, mientras que la permeabilidad relativa al aceite disminuye. Cuando el sistema presenta condiciones de mojabilidad mixta, se tendrá una fase continua de aceite mojando la superficie de los sólidos mayores que alteran la curva de permeabilidad relativa, hasta alcanzar una baja saturación residual de aceite orS después de haber inyectado varios volúmenes porosos de agua. Entonces es necesario, realizar las mediciones de las permeabilidades relativas en núcleos cuya mojabilidad sea preservada o restaurada, ya que de lo contrario se incurriría en serios errores. Ya que la permeabilidad relativa rK es una medida directa de la habilidad del medio poroso para permitir el flujo de un fluido en presencia de otros, es de vital importancia que los valores obtenidos de rK sean lo más cercano a la realidad. Durante una prueba de desplazamiento en un medio mojado por agua se tendrá un frente moviéndose casi uniformemente a través del medio poroso, el agua inyectada tenderá a imbibirse dentro de cualquier poro regular o pequeño, moviendo al aceite dentro de los poros grandes donde es fácilmente desplazado, fluyendo adelante del frente. En la zona frontal, cada fluido se moverá a través de sus propios poros, llevando consigo un poco del fluido mojante localizado en cada poro. En esta zona, donde se encuentran fluyendo aceite y agua, una porción del aceite se encontrará en fase continúa con algunas ramificaciones, mientras que el resto permanece entrampada en forma de gotas o glóbulos discontinuos. Cuando el agua desplaza al aceite de un poro mojado por agua, ésta avanzará a lo largo de las paredes del poro, desplazando al aceite delante del frente. En determinado instante, el cuello que conecta al aceite del frente con el aceite remanente en el poro se volverá inestable hasta romperse, dejando sin recuperar al aceite en forma de gotas casi esféricas de aceite en el centro del poro. Una vez que ha pasado el frente I. CONCEPTOS FUNDAMENTALES FACULTAD DE INGENIERIA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA 21 de desplazamiento, el aceite remanente se vuelve inmóvil. Es por esta razón, que después del surgimiento del agua, se tendrá muy poca o ninguna producción de aceite. El aceite residual desconectado hidráulicamente del patrón del flujo se presentará en dos formas básicas: como glóbulos esféricos pequeños localizados en el centro de un poro, así como estructuras de aceite que se prolongan por varios poros. Cuando el núcleo es fuertemente mojado por aceite, la superficie de la roca se encontrará preferentemente mojada por aceite, y la localización de los fluidos es inversa al caso de una muestra mojada por agua. En este caso, el aceite se encontrará en los poros pequeños y como una capa delgada que cubre la superficie de la roca en los poros grandes, mientras que el agua estará alojada en el centro de los poros grandes. Si se trata de desplazar al aceite con agua en un medio de este tipo, su eficiencia será mucho menor que en el caso de un sistema mojado por agua, ya que se formarán canales preferenciales al flujo del agua o interdigitaciones a través de la red de los poros mayores, desplazando solamente una pequeña fracción de aceite adelante del frente. Conforme se incrementa el volumen de agua inyectado, ésta invade los poros pequeños, hasta formar canales continuos de flujo adicionales,con un consecuente incremento ligero en la producción de aceite, hasta que prácticamente cesa el flujo de aceite, debido al llenado de estos poros, dejando un volumen considerable de aceite remanente en la mayoría de los poros pequeños, como una superficie que cubre los granos de la roca y como grandes bolsas de aceite entrampado rodeado por agua. En este caso, existe un gran volumen de aceite que puede producirse, por lo que en general no se alcanza la saturación residual de aceite orS . I.5.3.3.4 Sobre la recuperación de aceite. La determinación de la mojabilidad in-situ y su efecto sobre la recuperación de aceite han sido tratados extensamente en la literatura técnica. Varios investigadores sustentan que la recuperación de aceite por agua es mucho mayor en formaciones fuertemente mojadas por agua. Owens y Archer observaron que la recuperación de aceite I. CONCEPTOS FUNDAMENTALES FACULTAD DE INGENIERIA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA 22 disminuía conforme aumentaba el ángulo de contacto de avance. En 1955, Richardson y Cols obtuvieron bajas saturaciones residuales en núcleos lavados, las cuales se fueron incrementando al volverse el núcleo fuertemente mojado por agua. Salathiel postuló un nuevo tipo de mojabilidad (mixto) para aquellos campos en los cuales se encontraban algunas partes de la superficie porosa en contacto con el aceite, mientras el resto permanecía en contacto con agua. En estos medios, el aceite continúa fluyendo aún a muy bajas saturaciones, lo cual explicaba el comportamiento reportado por Richardson y Cols aún cuando las bajas saturaciones residuales encontradas es ese campo, no se deben al desplazamiento del agua, sino mas bien al drene gravitacional. Rathmell y Cols reportaron bajas saturaciones residuales a partir de algunas pruebas de imbibición, observando que para la mayoría de los sistemas, el entrampamiento del aceite disminuía cuando la muestra se tornaba ligeramente mojada por agua. Amott también obtuvo bajas saturaciones residuales a partir de pruebas de desplazamiento realizadas en sistemas ligeramente mojados por agua. No resulta sencillo llevar a cabo un estudio del efecto de la mojabilidad sobre la recuperación. Quizá la mayor dificultad en este tipo de estudios se tiene cuando se trabaja con superficies minerales con alto nivel de energía. Se han realizado varios intentos para correlacionar el cambio de mojabilidad con las reacciones que se presentan cuando existen silicatos. Sin embargo, ninguno de los procedimientos publicados ha tenido aceptación general. Existen algunas relaciones entre el ángulo de contacto con el nivel de concentración de los componentes del aceite. No obstante, se han encontrado serios obstáculos cuando se trata de reproducir el ángulo de contacto medido en este tipo de sistemas, especialmente en medios porosos complejos. En algunos casos, se ha observado que ciertos componentes del aceite pueden alterar la mojabilidad de la superficie mineral de la roca, especialmente los asfaltenos y los componentes no hidrocarburos. Cuando se tienen núcleos I. CONCEPTOS FUNDAMENTALES FACULTAD DE INGENIERIA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA 23 con capas de asfaltenos es necesario que al removerlos se mantenga la mojabilidad original. Actualmente ya se conocen los mecanismos básicos por medio de los cuales los asfaltenos pueden removerse o permanecer en contacto con la superficie mineral sin alterar el grado de mojabilidad. La adhesión de algunos componentes hidrocarburos y la depositación de una pequeña capa de éstos, está en función de la cantidad de energía superficial del mineral de la roca de formación. Esto ocasiona que la permeabilidad relativa al agua sea reducida, favoreciendo el control de la movilidad y en consecuencia se mejorará la eficiencia de barrido. Sin embargo, estos valores se incrementan con el gradiente de presión, así como el número capilar necesario para la movilización del aceite residual. Aunque en algunos estudios, como el desarrollado por Lorenz y Cols, encontraron que la saturación residual disminuía del 30% cuando era fuertemente mojado por agua, a casi 20% cuando el sistema tenia mojabilidad neutral, y el mínimo de la curva se alcanzaba cuando se tenia un sistema ligeramente mojado por aceite. I.5.3.3.5 Sobre la Inyección de agua. Se ha empleado la inyección de agua en varios campos a nivel mundial, como un método de recuperación secundaria para desplazar el aceite y tratar de obtener una mayor recuperación en el menor tiempo. Si se supone que inicialmente en el yacimiento el agua está inmóvil, se producirá únicamente aceite hasta el momento en el cual surja el agua en el pozo productor. Después de la irrupción del agua, se incrementa notablemente la cantidad de agua producida y disminuye la de aceite, hasta que la relación agua-aceite producida (WOR ) es tan alta, que no es rentable seguir explotando el pozo. Realmente, existe una gran diferencia en el comportamiento de un medio mojado por aceite de uno mojado por agua en un desplazamiento por agua. En un sistema uniformemente mojado, se logra un desplazamiento mas eficiente en un medio mojado por agua que uno mojado por aceite. Generalmente, las permeabilidades relativas al agua y al aceite y la relación de viscosidades aceite agua controlan la recuperación en una prueba de laboratorio, ya que se I. CONCEPTOS FUNDAMENTALES FACULTAD DE INGENIERIA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA 24 pueden despreciar los efectos capilares en un medio horizontal. Sin embargo, en estas pruebas existen efectos de entrada y de salida que pueden afectar los resultados. En este caso, es posible emplear la ecuación de flujo fraccional descrita por Craig, para evaluar el comportamiento de la recuperación, es decir: ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + = rw ro o w Sw K K f w μ μ1 1 )( (5) Donde: =wf Flujo fraccional de agua =wS Saturación de agua =oμ Viscosidad del aceite =wμ Viscosidad del agua =roK Permeabilidad relativa al aceite =rwK Permeabilidad relativa al agua Con esta expresión se puede calcular el flujo fraccional a una saturación dada, la cual se incrementa a medida que la relación de viscosidades aceite agua disminuye. Esta disminución origina un surgimiento prematuro del agua inyectada con una consecuente disminución en la recuperación de aceite. Las permeabilidades relativas al aceite y al agua, están explícitamente en función de la saturación de agua y son afectadas por la geometría del poro, mojabilidad, distribución de fluidos y la historia de saturaciones. Como se ha visto en campos de todo el mundo, la recuperación al surgimiento en un medio poroso fuertemente mojados por agua, es alta, con una pequeña producción adicional después de la irrupción del agua. Pero cuando se tiene un sistema fuertemente mojado por aceite, éste se recupera después de un largo periodo de tiempo de producción simultánea de agua y de aceite, además de que se debe inyectar un volumen mucho mayor de agua. En un yacimiento con I. CONCEPTOS FUNDAMENTALES FACULTAD DE INGENIERIA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA 25 mojabilidad fraccional, su comportamiento es similar al de medios uniformemente mojados, solo que la orS se incrementa a medida que el medio se torna mas mojado por aceite. Cuando se tiene un medio con mojabilidad mixta, se puede observar una variación en las curvas de permeabilidad relativa, debido a esto es posible continuar desplazando aceite, aún después de haber inyectado varios volúmenes porosos (VP ) de agua. La mojabilidad también afectará algunas propiedades del flujo multifásico, incluyendo la presión capilar y las propiedades eléctricas. Entonces, tanto el surgimiento, como la recuperación de aceite al límite económico, dependende la mojabilidad y la relación de viscosidades. Si disminuye la movilidad del aceite debido a una alta relación de viscosidades, se tendrá una baja recuperación al surgimiento del agua. Es conveniente realizar las pruebas de desplazamiento con núcleos presurizados, en caso contrario es necesario restablecer las condiciones originales de mojabilidad, ya que de lo contrario se sobreestimará la recuperación final si el medio no tiene condiciones de mojabilidad intermedia o al aceite, y serán subestimadas cuando sea fraccional o mixta. I.5.4 Capilaridad. Cuando un capilar se sumerge en la interfase de dos fluidos puede producirse un ascenso o un descenso de la interfase. En el primer caso se produce el denominado "ascenso capilar", y en el segundo caso se habla de "descenso capilar". Estos movimientos ocurren como consecuencia de los fenómenos de superficie que dan lugar a que la fase mojante invada en forma preferencial el medio poroso. En términos generales, el ascenso o descenso capilar se detiene cuando la gravedad contrarresta (en función de la altura y de la diferente densidad de los fluidos) la fuerza capilar desarrollada en el sistema. I.5.5 Presión capilar. Es la diferencia de presión existente entre la fase mojante y la no-mojante a una condición de saturación determinada del sistema y en una historia de saturación predeterminada. I. CONCEPTOS FUNDAMENTALES FACULTAD DE INGENIERIA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA 26 Cuando dos o más fluidos están presentes en una formación porosa a la misma elevación y aún cuando los fluidos estén a la presión de equilibrio, éstos no se encuentran a la misma presión. Esta situación se genera debido a que la atracción mutua entre la roca y el fluido (tensión de adhesión) es diferente para cada fluido. La diferencia en la presión entre las dos fases en equilibrio a la misma elevación se denomina presión capilar entre las fases. El fluido con la mayor tendencia a mojar la roca tendrá la presión capilar más baja. Así la presión capilar entre dos fluidos puede ser definida como: wnw PPPc −= (6) Donde: :Pc Presión capilar :nwP Presión del fluido no mojante :wP Presión del fluido mojante La presión capilar es la diferencia de presión a través de la interfase entre dos fluidos inmiscibles. La diferencia de presión es proporcional a la tensión superficial e inversamente proporcional al radio efectivo de la interfase, también depende del ángulo de contacto θ del líquido sobre la superficie de capilaridad. Se considera que existe cierta analogía entre los poros de la roca del yacimiento y los tubos capilares, ya que sus diámetros son similares. Cuando esto ocurre, las fuerzas superficiales inducidas por la mojabilidad preferencial del sólido, hacen que alguno de los fluidos se extienda sobre su interfase, ocasionando una diferencial de presión medible entre las dos fases a través de la interfase. En un tubo capilar, el agua se puede desplazar inyectando aceite, y éste a su vez puede ser desplazado espontáneamente si se reduce su presión. Figura 1.5. I. CONCEPTOS FUNDAMENTALES FACULTAD DE INGENIERIA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA 27 En general, se define a la presión capilar como una diferencia de presiones, solo que cuando el sistema es mojable al aceite, este valor será negativo, y se podrá evaluar con: r PPP nwwnwc θσ cos2 =−= (7) Que también se puede expresar mediante la ecuación desarrollada por Laplace en su forma general, la que se representa como: ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ +⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ =− e wowo rr PP 11 1 /σ (8) Donde 1r y er , representan los radios principales de curvatura en la interfase y σ la tensión interfacial. Y como la presión capilar se define como ya se dijo en wnw PPPc −= , lo cual involucra para aceite y agua que en la mayoría de los casos se tendrá una curvatura positiva en la fase aceite, mientras que en la fase agua se presentará una negativa. Cuando se tiene una superficie plana, la presión capilar se vuelve cero. Se supone que el radio de curvatura en la interfase y por consiguiente la presión capilar, están en función de la geometría de poro, la mojabilidad, las saturaciones, así como de su historia. Es demasiado complicado tratar de resolver analíticamente las ecuaciones para el calculo de la curvatura interfacial en la mayoría de los medios porosos reales. Para estos casos, no es posible desarrollar una relación simple como la que se emplea en tubos capilares. Cuando se tiene un tubo capilar suficientemente pequeño, la interfase se puede aproximar como una porción de una esfera de radio r , el cual generalmente es mucho mayor al radio del tubo capilar. La relación entre los dos radios será: r r Cos t=θ (9) I. CONCEPTOS FUNDAMENTALES FACULTAD DE INGENIERIA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA 28 Considerando esta expresión para el cálculo de la presión capilar en términos del radio del tubo y las fuerzas interfaciales, se puede llegar a la definición inicial de presión capilar. No obstante, actualmente existen varios métodos para obtener en forma precisa la presión capilar en función de la saturación y la geometría de los poros de la roca del yacimiento. FIGURA 1.5 ESQUEMATIZACIÓN DE LA PRESIÓN CAPILAR Cuando el agua y el aceite se juntan, forman una interfase curvada con un ángulo de contacto que puede extenderse de 0° a 180°. Por convención sí: 0°< θ < 60°-75° el sistema es mojado por agua 105°-120° < θ < 180° el sistema es mojado por aceite 60°- 75° < θ <105°-120° el sistema tiene mojabilidad neutra Hay dos procesos básicos para la presión capilar: Drene e Imbibición. • En el proceso de drene, el fluido no mojante desplaza al fluido mojante. Proceso en donde la fase no-mojante va aumentando su saturación en el sistema con el tiempo. Este es un proceso forzado. I. CONCEPTOS FUNDAMENTALES FACULTAD DE INGENIERIA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA 29 • En el proceso de imbibición, el fluido mojante desplaza al fluido no mojante. Es el proceso inverso al drene y en éste la fase mojante incrementa su saturación en el sistema con el tiempo. Este es un proceso espontáneo. • Generalmente existe histéresis en la presión capilar pues varía la saturación, siendo la histéresis la diferencia entre las curvas de drene e imbibición. I.5.6 Presión Umbral. Es la mínima diferencia de presión necesaria para poder introducir fase no-mojante al sistema poroso. I.5.7 Curva de drene. Para establecer una curva de presión capilar de drene, la saturación de la fase mojante es reducida desde un máximo de 100% hasta su saturación irreductible aumentando la presión capilar de un valor de cero hasta un valor grande positivo. Como se muestra en la figura 1.6. A medida que aumenta la diferencia de presión entre el agua y el aceite comienza a recorrerse la curva de drene que parte de %100=wS . FIGURA 1.6 CURVA DE DRENE I. CONCEPTOS FUNDAMENTALES FACULTAD DE INGENIERIA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA 30 I.5.8 Curva de imbibición. Para establecer una curva de presión capilar de imbibición se aumenta la saturación de la fase mojante. Como se muestra en la figura 1.7. Se interrumpe el drenaje y se comienza con el proceso de Imbibición. FIGURA 1.7 CURVA DE IMBIBICIÓN El radio de curvatura en la interfase y por lo tanto la presión capilar son determinados por: La geometría local del poro La mojabilidad La saturación de fluidos La historia de la saturación Para la mayoría de los medios porosos, las ecuaciones para la curvatura interfacial son muy complicadas, por lo que la presión capilar se debe determinar experimentalmente. I. CONCEPTOS FUNDAMENTALESFACULTAD DE INGENIERIA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA 31 I.6 Registros Geofísicos de Pozos El registro geofísico de pozos, consiste en una serie mediciones o registros de parámetros, obtenida por una sonda con varios sensores o antenas transmisoras y receptoras que se introduce en una perforación de barrena para determinar las curvas de cada parámetro que se desea conocer. Con esta técnica se obtienen a diferentes profundidades los parámetros físicos de la formación. Se lleva a cabo para determinar las características físicas de las rocas, de los fluidos que la saturan y de las propiedades en la vecindad del pozo. Con estos datos se determinan: la litología, la resistividad real, la densidad volumétrica, la geometría, porosidad y permeabilidad, así como la saturación de fluidos (por supuesto nos permiten determinar el valor de saturación de aceite residual), para poder definir los intervalos donde se encuentran las capas productoras. I.6.1 Aplicaciones Permite determinar: • Tamaño de grano. • Los horizontes con acumulación de hidrocarburos. • Las capas con contenido de fluidos o zonas saturadas y las de mayor flujo subterráneo. • Fracturamiento o aperturas por disolución o derrumbe. • La porosidad total o densidad volumétrica y efectiva o resistividad verdadera. • La litología y su correlación estratigráfica, así como el contenido de arcilla. II.-OBTENCIÓN DEL ACEITE RESIDUAL POR PROCEDIMIENTOS DE LABORATORIO Y DE CAMPO FACULTAD DE INGENIERÍA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA 32 II.- OBTENCIÓN DEL ACEITE RESIDUAL POR PROCEDIMIENTOS DE LABORATORIO Y DE CAMPO II.1 Saturación de fluidos En la ingeniería de yacimientos es importante determinar factores que ayuden a la predicción del comportamiento del yacimiento, entre ellos están las características petrofísicas del sistema roca – fluidos tales como la porosidad, la permeabilidad, la mojabilidad, la tortuosidad y la saturación de fluidos. De esta última propiedad se sabe que en los yacimientos existen tres tipos de fluidos; aceite, agua y gas, los cuales ocupan en menor o mayor medida el espacio poroso. La determinación de la cantidad de hidrocarburos contenida en los poros de la formación, es necesario para determinar la saturación de fluidos (aceite, agua y gas). II.2 Métodos para determinar la saturación de fluidos Existe una gran variedad de técnicas ingenieríles para evaluar la magnitud de la saturación residual de aceite ( orS ), cada una de las cuales tienen sus limitaciones e incertidumbres. Sin embargo, es necesario evaluar la orS con la mayor precisión posible, pero debido a la complejidad típica de la propiedades de la formación es necesario emplear mas de un método para el cálculo apropiado de la orS . Entre los últimos avances que se han logrado para la evaluación de la orS entre pozos se encuentran los siguientes métodos: 1) .- De Resistividad 2) .- Trazadores Radioactivos 3) .- Desplazamiento Químico Para la determinación de la orS en un solo pozo se tienen las siguientes técnicas: II.-OBTENCIÓN DEL ACEITE RESIDUAL POR PROCEDIMIENTOS DE LABORATORIO Y DE CAMPO FACULTAD DE INGENIERÍA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA 33 a) .- Análisis de Núcleos b) .- Trazadores a contra flujo c) .- Registros Geofísicos de Pozos d) .- Balance de Materia e) .- Pruebas de Pozos f) .- Registro Gravitacional Algunas de estas técnicas (como el análisis de núcleos, los registros convencionales de pozos y las pruebas de presión) también se pueden emplear para determinar la saturación de aceite inicial y la remanente a cualquier etapa de producción. Existen dos métodos que resuelven la problemática de conocer la saturación de fluidos contenidos en la roca del yacimiento. Una es la medición directa que es muy difícil de lograr pues no existe un mecanismo o herramienta que nos permita conocer con exactitud el valor de este parámetro. Otra es la medición indirecta, en la que se aprovechan mediciones de registros de pozos, mediciones de presión capilar y en general metodologías de laboratorio. II.3 Diferentes métodos para la obtención de la saturación residual de aceite orS Conociendo el volumen de aceite presente en el yacimiento se puede determinar con base en este dato y mediante una evaluación económica, cualquier proyecto de explotación. Así también conociendo la saturación de aceite inicial es un dato crítico para la determinación de procesos de recuperación secundaria, por ello el valor de la saturación residual de aceite es de gran importancia. Por lo tanto, un pequeño error en la estimación de la saturación de aceite (hasta el 5% del volumen poroso) puede significativamente afectar económicamente en el proyecto. También la saturación de aceite afecta la vida del proyecto. II.-OBTENCIÓN DEL ACEITE RESIDUAL POR PROCEDIMIENTOS DE LABORATORIO Y DE CAMPO FACULTAD DE INGENIERÍA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA 34 La determinación de la saturación de aceite tiene un gran impacto en la factibilidad de proyectos de recuperación y de recaracterización, por ello su determinación es crítica, pero su medición resulta complicada en yacimientos reales. Existen métodos para determinar el valor de la saturación residual o remanente de aceite, entre ellos están: • Análisis convencional o especial de cualquier núcleo simple • Cálculos de ingeniería de yacimientos, utilizando métodos de balance de materia o simulación numérica de yacimientos basados en procesos de recuperación pasados • Varios tipos de registros de pozos • Medida de la presión de transición, aplicada sola o en combinación con análisis de núcleos y/o datos de permeabilidad relativa experimental • Estudios de trazadores químicos Cada método tiene sus ventajas y sus desventajas, y normalmente los ingenieros los utilizan y los verifican con datos estimados, los cuales se confirman con datos pasados. A continuación se presenta una tabla de herramientas y técnicas para determinar la saturación residual de aceite. II.-OBTENCIÓN DEL ACEITE RESIDUAL POR PROCEDIMIENTOS DE LABORATORIO Y DE CAMPO FACULTAD DE INGENIERÍA UNAM JOSÉ MIGUEL CRUZ OROPEZA 35 Herramientas y técnicas utilizadas para determinar la saturación residual de aceite TÉCNICA POZO ADEMADO PERFIL VERTICAL PRUEBAS DE CAMPO PRECISIÓN ESPERADA PROFUNDIDAD LATERAL DE INVESTIGACIÓN NÚCLEO • CONVENCIONAL • PRESURIZADO POZO EN PERFORACIÓN • SI • SI • SI • SI • POBRE • BUENA – EXCELENTE MENOR A 10 Pg MENOR A 10 Pg TRAZADORES SI NO SI REGULAR – EXCELENTE 15 – 40 ft REGISTROS • RESISTIVIDAD CONVENCIONAL • LIL • NML CONVENCIONAL • NML INY-REG. • CONST. DIEL CONV. • EPT CONV. • PNL • PNC CONV. • LIL (AGUA) • LIL (QUIMICOS) • LIL (ACEITE CLORIN) • C/O • CONVENCIONAL • LIL (AGUA) • LIL (QUÍMICOS) • RAYOS GAMA • CONVENCIONAL • LIL (AGUA/QUIM) • REG. DENSIDAD • CONVENCIONAL • LIL • NO • NO • NO • NO • NO • NO • SI • SI • SI • SI • SI • SI • SI • SI • SI • SI • SI • SI • SI • SI • SI • SI • SI • SI • SI • SI • SI • SI • SI • SI • SI • SI • SI • SI • SI • SI • SI • SI • SI • SI • SI • SI • SI • SI • LIMIT. EXP. • SI • LIMIT. EXP. • LIMIT. EXP. • NO • NO • NO • NO • POBRE • BUENA – EXC. • POBRE • EXCELENTE •
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